Neviditelný čert

Fyzikální pochopení skutečnosti, že prostor a čas může vypadat trochu jinak, než se zdá, vzniklo na velmi nepravděpodobném místě: v laboratoři muže, který se z knihařského učně stal chemikem a později fyzikem.

Lucifer

Michael Faraday byl obyčejný člověk s neobyčejnou vášní. Za svého života odmítl jak povýšení do rytířského stavu, tak předsednictví Královské společnosti, protože chtěl zůstat - jak sám řekl - "Obyčejným Michaelem Faradayem". Možná právě díky skromnému původu se u něj vyvinula obrovská intuice o přírodě, či alespoň jeho neobyčejná schopnost vysvětlovat přírodní jevy názorným způsobem, který držel při zemi vznosné matematické pojmy. Tvrdil - bezpochyby se sarkastickou nadsázkou -, že za celý život napsal jedinou matematickou rovnici. Ať už byl způsob jeho myšlení ovlivněn čímkoli, měl zakořeněný odpor k modelům, které se byť jen nepatrně vzdalovaly od svého experimentálního základu. Ironií je, že nakonec on dal podnět ke vzniku jednoho z největších teoretických zobecnění v dějinách fyziky, ke klíči, jenž otevřel dveře ke skrytému vesmíru - poskytl jej neobyčejně šťastný výsledek experimentu v laboratoři plné chemikálií, drátů, elektrických baterií a magnetů. Vraťme se však o několik let zpátky.

V jedné z nejbarvitějších epizod ságy o elektřině a magnetismu hráli hlavní roli dva italští vědci, Alessandro Volta a Luigi Galvani. Předmětem jejich velkého sporu nebylo nic jiného než žabí nožičky. Galvani si v roce 1786 povšiml, že elektrický výboj vyvolává cukání mrtvých žabích nožek. Škubaly sebou, když se dvěma různými kovovými destičkami dotkl nervů v nich; domníval se však, že statická elektřina uvolní v žábě jakousi skrytou "živočišnou elektřinu". Zato Volta, jenž vyvinul citlivé zařízení k registraci elektrického náboje, soudil, že elektřina vzniká kontaktem dvou různých kovů. Nakonec nalezl nejen příčinu škubání žabích nožek, nýbrž - což bylo mnohem důležitější - sestrojil na tomto základě i elektrický článek a tím poskytl vědě i technice neobyčejně důležitý nástroj.

V roce 1800 založil navrátilec z Ameriky hrabě Rumford Královský ústav v Londýně a jeho vedením pověřil třiadvacetiletého chemika Humphreyho Davyho. Ten ve sklepních prostorách ústavu postavil podle Voltových principů velikou baterii a elektrického proudu z ní užil v řadě základních chemických pokusů. Davy byl velikou postavou britské vědy. Jeho chemické pokusy přitahovaly pozornost nejen vědců, ale i laické veřejnosti. K ní právě patřil i mladý knihařský učeň Michael Faraday, jehož věda okouzlila natolik, že věnoval veškerý svůj volný čas studiu. Po sérii Davyho přednášek svázal své poznámky do knihy a předložil je velkému muži spolu s poníženou žádostí o místo jeho laboratorního asistenta. Na základě postupu, který si od té doby osvojila řada studentů - nikdy neškodí zalichotit svému učiteli -, získal v témže roce, 1813, místo svých snů.

Ve stejném roce vytknul dánský fyzik a básník Hans Christian Oersted pro sebe či jiné dokázat, že elektřina a magnetismus jsou navzájem propojeny. O sedm let později zveřejnil pozoruhodný objev: protéká-li vodičem elektrický proud, mění se směr magnetické střelky v blízkosti vodiče. Dokázal tak, že elektrický proud budí magnetismus. Intelektuální aktivita v Evropě po publikaci Oerstedova objevu byla tak ohromná, že jen několik týdnů potom přišel skvělý francouzský matematik a fyzik André-Marie Ampère s pozoruhodnou teorií, jak elektřina magnetismus budí, kterou později nazval elektrodynamika. Ampèrovy původní myšlenky, založené na malém experimentálním základě a značném dílu odhadu a spekulace, byly trochu výstřely naslepo, během pár let se však spojily do známé teorie, dodnes uváděné ve fyzikálních učebnicích. Podle ní usoudil i experimentálně prokázal, že proud tekoucí drátem představuje magnet.

Jedním z lidí, jejichž kritické studie pomohly Ampèrovi vylepšit jeho teorii, byl i fyzikální elév Michael Faraday. Rok po Oerstedově objevu zveřejnil svůj první významný objev týkající se elektřiny a magnetismu. Zjistil, že malé magnety rotují kolem drátu protékaného proudem a naopak, že drát, jímž protéká proud, bude rotovat kolem pevného magnetu. To demonstrovalo specifické vlastnosti magnetické síly vytvářené pohybujícími se elektrickými náboji a s konečnou platností se tím potvrdila správnost Ampèrových myšlenek. Faraday strávil dalších čtyřicet let, než nalezl klíč k teoretické myšlence, která odhalila skutečný vztah mezi elektrickými a magnetickými jevy. Zatímco Oersted ukázal, že ty první mohou budit ty druhé, Faraday si už v roce 1822 do svého experimentálního deníku poznamenal nápad "přeměnit magnetismus v elektřinu".

O devět let později, v srpnu roku 1831, dospěl k proslulému experimentu, kterým ukázal, že magnetismus může vytvářet elektřinu a dosáhl toho způsobem, který nikdo nepředpokládal. Pokus sám měl velmi jednoduché uspořádání. Kolem poloviny kovového kroužku byl ovinut izolovaný dát připojený přes vypínač k elektrickému článku. Podobný drát byl ovinut kolem druhé poloviny kroužku a ten byl připojen k zařízení měřícímu elektrický proud. Oba dráty byly izolované, takže neměly žádný přímý kontakt ani s kovovým kroužkem, ani navzájem mezi sebou. Zdálo se tedy, že když se sepne vypínač a prvním drátem začne protékat proud, není žádný důvod, proč by se měl objevit proud i v druhém drátu. Faraday však ke svému údivu zjistil, že právě k tomu dochází. V okamžiku, kdy v prvním drátu začal nebo přestal téci proud - a právě jen v těchto okamžicích -, objevil se proud tajemně i v druhém drátu.

Svou myšlenku, že to ve skutečnosti magnetická síla vyvolává proud v druhém vodiči, ověřil Faraday jiným pokusem. Místo aby zapínal a přerušoval v prvním vodiči proud, prostě přibližoval k druhému vodiči magnet a opět jej vzdaloval. A vodičem opravdu při přibližování a vzdalování magnetu protékal proud. Faradayovy experimentální objevy nezměnily jen tvář moderní společnosti, zásadně změnily i náš obraz přírody. V důsledku svého velmi intuitivního pohledu na přírodu nedůvěřoval Faraday jednoduchému matematickému popisu jevů, jako třeba přitažlivá síla mezi dvěma magnety, dával přednost fyzikálnímu "zobrazení". Jako vizualizaci silového působení navrhl představu, že v prostoru kolem magnetu si můžeme představit "siločáry". Stejného obrazu nakonec Faraday používal i k popisu elektrických sil mezi nabitými částicemi, opět bez jakýchkoli matematických rovnic. Kdyby si Faraday s matematikou lépe rozuměl, byl by si povšiml, že "magnetické siločáry" lze jednoduše popsat na základě dnes užívané představy "magnetického pole".

V době, kdy tyto své myšlenky zveřejnil tiskem, byl už Faraday uznávaným vědcem, a proto jim jeho kolegové věnovali pozornost. Jeho popis byl však dost vágní, a tak je třeba říct, že jen málo z nich přesvědčil. Aby jeho myšlenka došla všeobecného uznání, musela přijít vědecká osobnost, jejíž teoretický talent dosahoval experimentálního talentu Faradayova. Takový teoretik přišel do Anglie naštěstí v téže době a jmenoval se James Clerk Maxwell. Celé 19. století bylo plné vynikajících matematických géniů, s odkazem, který zanechal po svém krátkém životě Maxwell, však nemůže soupeřit dílo žádného z nich. Nejenže Maxwell založil moderní teorii plynů a položil základy statistické mechaniky, nýbrž i dokončil teoretický obraz elektromagnetismu, modelového prototypu sjednocené teorie všech přírodních sil. Toho všeho dosáhl člověk, který zemřel v poměrně mladém věku čtyřiceti osmi let.

Nakonec si Maxwell uvědomil, že magnetické a elektrické pole mohou mít skutečnou fyzikální realitu, že to nejsou jen matematicky užitečné pomůcky. Ale ta nejdůležitější předpověď měla teprve přijít. Vezmu-li elektrický náboj a pohybuji s ním, mění se elektrické pole kolem něho. Proměnné elektrické pole zase budí proměnné pole magnetické. Jenže toto měnící se magnetické pole vytváří naopak pole elektrické. A tak to jde pořád dál, a než se nadějete, je tu "elektromagnetický vzruch", šířící se do okolního prostoru. Ze svých rovnic dokázal Maxwell určit rychlost šíření takového vzruchu. Když výpočet provedl, zjistil, že vzruch představuje vlnu, podobnou vlně na vodě, jenomže ne vlnu v nějaké tekutině, nýbrž vlnění polí samotných. Navíc rychlost šíření "elektromagnetických vln" nebyla nic neznámého - byla to rychlost šíření světla. To naznačovalo - a experiment to později potvrdil -, že i světlo samo jsou elektromagnetické vlny.

23.04.2011, 01:26:00   Publikoval Luciferkomentářů: 2